Internet Rzeczy w mieście

W dużych miastach gwałtownie rośnie ilość urządzeń działających w ramach Internetu Rzeczy (IoT). Wiele z nich zainstalowanych jest głęboko w budynkach, gdzie niezbędne jest zapewnienie odpowiedniego zasięgu. Symulacja realistycznego scenariusza z dużą ilością urządzeń IoT działających w mieście wykazała, że nawet 99% tego rodzaju sprzętu zainstalowanego głęboko w budynkach może potencjalnie łączyć się z siecią za pomocą nowych technologii komórkowej transmisji danych. Sieci komórkowe doskonale nadają się do tego, by obsługiwać pojawiające się na rynku urządzenia IoT. Wynika to z ich powszechnej dostępności, oraz z parametrów technicznych zapewniających odpowiedni poziom bezpieczeństwa i niezawodności. Głównym zadaniem sieci komórkowych jest obecnie oferowanie odpowiedniego zasięgu szerokopasmowego Internetu. Pojawienie się urządzeń IoT spowodowało konieczność stawienia czoła nowym, związanym z odpowiednim zasięgiem wyzwaniom. Do pokonania owych wyzwań mogą przyczynić się technologie komórkowe, dla których opracowane zostały niedawno nowe standardy. Należą do nich takie rozwiązania, jak sieci 3GPP LPWA (Low-Power Wide-Area), czy też technologie Cat-M1 oraz NB-IoT, które można wdrożyć z wykorzystaniem obecnych sieci LTE. Tego rodzaju systemy spełniają wymagania związane z zapewnieniem odpowiedniego zasięgu urządzeniom IoT i są kompatybilne z szeroką gamą tanich rozwiązań. Nadający się do różnego rodzaju zastosowań standard Cat-M1 został zaprojektowany pod kątem współpracy z szeroką gamą urządzeń IoT - od najprostszych, po te wymagające transmisji znacznych ilości danych. Mogą to być na przykład podłączone do sieci kosze na śmieci, systemy alarmowe obsługujące technologię wsparcia głosowego, czy też urządzenia wykorzystywane w obsłudze flot samochodowych. Cat-M1 zapewnia teoretyczną, szczytową prędkość wysyłania danych wynoszącą około 1 Mb/s.

Istnieje jednak pewna zależność pomiędzy szybkością przesyłu danych a zasięgiem: im mniejsza prędkość wymagana w danym urządzeniu, tym większy oferowany zasięg. Przyjęto następujące wymagania minimalne dotyczące zasięgu: maksymalna strata na połączeniu (MCL) równa 160 dB, przy dostępnej prędkości wysyłania danych około 1 kb/s.

Powyższe parametry można porównać z MCL wynoszącym 144 dB dla sieci LTE, gdzie odbiór danych odbywa się z prędkością do 1 Mb/s, zaś ich wysyłanie z prędkością kilkudziesięciu kb/s. nNB-IoT jest rozwiązaniem wąskopasmowym, które zostało zaprojektowane w celu zapewnienia lepszego zasięgu oraz wykorzystania urządzeń jeszcze tańszych niż w przypadku standardu Cat-M1. Jest ono stosowane w przypadkach, w których wymagana jest ultraniska transmisja danych - takich jak czujniki dymu i liczniki mediów.

Przyjęto następujące wymagania minimalne dotyczące zasięgu: maksymalna strata na połączeniu (MCL) równa 164 dB, przy dostępnej prędkości wysyłania danych około 300-400 b/s. Obydwie technologie umożliwiają obsługę ogromnej ilości urządzeń IoT przedstawionych na załączonym ryskunku.

Model IoT w mieście

Analizą objęto możliwość zapewnienia zasięgu znacznej ilości urządzeń IoT działających na terenie rozległej metropolii.

Pomiary dokonane na działającej komercyjnie szerokopasmowej sieci LTE zostały wykorzystane do skalibrowania modelu, w którym przebadano zasięg oferowany przez rozwiązania LTE, Cat-M1 oraz NB-IoT. Użyto trójwymiarowego modelu miasta, ze średnią ilością budynków na kilometr kwadratowy równą niemal 2.100, oraz ze średnią liczbą 5 kondygnacji w budynku. Analizie poddano charakterystykę transmisji przebiegającej zarówno po linii pozbawionej przeszkód, jak i z przeszkodami. Zbadano też propagację sygnału radiowego „z zewnątrz do wewnątrz”, oraz wewnątrz budynków. Założono, że typowe, bazowe stacje radiowe są oddalone od siebie o około 500 metrów.Urządzenia IoT, występujące w liczbie około 20.000 na kilometr kwadratowy, były równomiernie rozłożone w całym mieście, zarówno na zewnątrz, jak i wewnątrz budynków, zaś w poszczególnych środowiskach zastosowano odpowiednią dla nich siłę sygnału. Na przykład dla zlokalizowanych częściowo pod ziemią piwnic przyjęto dodatkową stratę wynoszącą 5 dB ponad atenuację sygnału wewnątrz budynków, zaś w przypadku pomieszczeń zlokalizowanych całkowicie pod ziemią (lub głęboko wewnątrz budynków), założono dodatkową stratę 20 dB.Zasięg symulowano dla urządzeń IoT wykorzystujących technologię LTE, Cat-M1 oraz NB-IoT. Do obliczenia zasięgu poszczególnych technologii zastosowano ten sam rozkład komórek stacji bazowych. Zasięg sieci analizowano w dwóch zakresach częstotliwości: niższym (800 MHz) (jego zaletą jest lepsza propagacja sygnału, a tym samym większy zasięg), oraz wyższym (2,6 GHz), oferującym większą pojemność.

Zwiększenie zasięgu LTE dla potrzeb IoT

Modelowanie zakresu 800 MHz wykazało, że w miejscach utrudniających propagację sygnału radiowego, takich jak lokalizacje położone głęboko wewnątrz budynków, zarówno Cat-M1, jak i NB-IoT potrafią dotrzeć nawet do 99% urządzeń.

Wynik ten można porównać z rezultatem uzyskanym dla szerokopasmowej sieci LTE, gdzie udział znajdujących się w zasięgu urządzeń mobilnych wyniósł 77%. W przypadku zakresu 2,6 GHz, zasięg technologii Cat-M1 oraz NB-IoT również jest znacząco wyższy niż w przypadku LTE, gdzie wynosi jedynie 32%. Zasięg można zwiększyć w przypadku urządzeń IoT o niskim zapotrzebowaniu na dane poprzez zmniejszenie prędkości transmisji. Dzięki temu, że już w fazie testów udało się przekroczyć cele wyznaczone dla 3GPP, wprowadzone usprawnienia pozwolą na uruchomienie w miastach ogromnej ilości urządzeń IoT oraz zagwarantują, że 99% z nich pozostanie w zasięgu sieci komórkowych.